梅家沟隧道支护变形分析及加固方案优化研究

郭传臣

(1.中铁十四局集团有限公司 山东济南 250014；2.铁正检测科技有限公司 山东济南 250014)

1 绪论

近年来随着全球化经济影响，极大刺激了我国道路交通行业。隧道作为山岭地区常用道路载体，正形成“长、深、大、杂、群”总体建设格局，也成为本世纪隧道发展的总趋势[1]。

对于隧道工程软岩大变形问题，国内外学者做了大量研究，形成了多种突破思路与理论体系，主要有理论计算方法、数值分析方法、监控量测研究方法、物理模型试验分析方法、工程地质判别法和工程类比法[2]。其中数值分析方法又衍生出基于有限元法、有限差分法、离散元法、不连续变形分析法和混合有限元－离散法等[3]。李术才[4]等采用有限元数值模拟方法，对处于高地应力和围岩较差的软岩隧道进行围岩与支护结构受力变形状态、开挖工法与支护之间的耦合性和相关性进行分析，并得出系列重要结论；王洪峰[5]等采用大型有限元软件对隧道变形进行模拟，分析了隧道周围岩体的应力、支护结构内力和应变以及岩体塑性区发展规律。

本文基于现有研究成果，针对梅家沟隧道现场软岩工程特性，结合现场情况及监控量测结果对支护效果进行评价。现场监控表明，不同加固方案对于软岩地质具有不同的变形抑制作用。对现有初支二次加固方案进行优化，通过数值模拟计算确定初支施作二次加固的必要性以及施作时机。

2 工程地质概况

梅家沟隧道隧址区位于绵阳市平武县白马乡祥述家寨东侧，S205省道从隧址区通过，交通便利。隧道全长2.38 km，Ⅴ级围岩，围岩主要为强－中风化千枚岩、炭质板岩、炭质板岩夹薄层千枚岩，裂隙发育，多为泥质充填，岩体破碎，岩质软，遇水易软化；局部断层破碎带地段有涌突水；工程区断裂和褶皱均较发育，主要有大桥复向斜、木皮倒转复背斜、白马弧形构造带等大型褶皱。

3 现场监控变形概况

3.1 现场监控量测

根据九绵高速隧道监控量测数据平台导出的监控量测数据，绘制断面变形速率极值和累计值如图1、图2所示。

图1 梅家沟隧道断面变形速率极值

图2 梅家沟隧道断面累计变形量

分析可知，梅家沟隧道左洞周边收敛速率极值普遍在20 mm/d以上，左、右洞拱顶下沉速率极值分布规律相似；左、右洞周边收敛累计值普遍在150 mm以上，而拱顶下沉量累计值普遍在50 mm以上，可知该隧道以收敛大变形为主，拱顶下沉较小，其量值比率在2～6之间。现场拱架连接位置受剪切和挤压较为明显，边墙大面积剥落，而初支拱顶状态较为完整，一定程度上验证了监测结果的正确性。

3.2 支护变形情况

隧道开挖施作初期支护后，其变形主要体现为:喷射砼开裂掉块、钢拱架扭曲、钢拱架折断、钢拱架剪断、初期支护侵限，如图3所示。

图3 软岩大变形现场

4 支护方案尝试及效果

4.1 支护方案

针对原方案支护效果不良问题，项目参建方研讨了多种支护方案，汇总如表1所示。

表1 抑制大变形方案汇总

4.2 各支护方案试验段效果分析

根据超前地质预报结果，结合地勘设计资料，选取地质岩性相近的里程作为试验段，进行不同支护类型条件下效果分析。左洞试验段为ZK67＋980～ZK68＋685，右洞为K68＋015～K68＋658。

提取梅家沟隧道左右线 Da、Db、Dc、Z5af、Dc-1(衬砌类型预留变形量均为300 mm)衬砌类型监测断面共16组的拱顶下沉及周边收敛时程数据，分别对左右线不同衬砌类型下的监测断面进行变形速率及累计值统计。各方案断面数量、各断面支护类型、各支护方案具体里程及变形量统计如图4所示。

图4 不同支护类型下变形量分布(纵坐标单位:mm)

(1)相同支护类型下，不同监测断面拱顶下沉量基本可以与支护结构较好匹配；不同支护类型下，78～99号、55～67号断面控制较好。

(2)相同支护类型下，不同监测断面拱顶下沉量相差无几，需结合周边收敛情况进行双控；66～79号断面，拱顶下沉控制效果较好。

(3)相同支护类型下，不同监测断面周边收敛量基本可以较好匹配；不同支护类型下，周边收敛量值变化不明显，82～99号、55～62号断面控制效果较好。

不同支护类型下，梅家沟隧道收敛大变形累计值占预留量的60%～100%；拱顶下沉量较小，累计值占预留量的20%～40%。上台阶开挖并支护后，围岩压力(松散围岩压力、变形围岩压力、膨胀围岩压力)作用在支护结构上，引起支护结构变形，此时变形速率较大，量值为10～20 mm/d，持续时间为2～4 d；随后速率有所下降，约为5 mm/d，累计变形量持续上升。受下台阶开挖扰动，围岩内部应力再次重新分布，收敛变形速率出现突增，量值达到20 mm/d以上的概率极大，局部断面达到40 mm/d以上，初支全断面出现不同程度的开裂，拱顶下沉量值突变不明显。大变形速率持续时间受制于拱架连接作业时间和仰拱施作时间的长短。仰拱施作完成后，变形速率明显减小，稳定迹象有所不同，局部断面以低速率(1～2 mm/d左右)持续变形。

仅根据监控量测变形值评价支护结构的有效性并不合理:首先，不同工队施工技术层次高低不齐，难以界定施作质量；其次，不同支护类型下对应的围岩地质条件也不尽相同，尽管试验段尽可能选择了地质岩性相近的里程，但地层的各向异性和岩层分布的不规则性也是不可忽略的因素；最后，支护强度的提高，不一定造就小变形量，在一定程度上可以改变结构受力状态，使整体能够保证在正常使用极限状态下工作，而不会达到承载能力极限状态。

5 初支现状及二次加固方案优化

5.1 支护现状

如表2所示，经过现场监控断面数据分析，下台阶开挖时往往会发生突变变形，伴随支护承受压力急剧增大，支护结构大概率会发生变形、侵限甚至失稳。为确保支护质量及工程安全，应施作二次加固，并合理确定加固方案的施作时机和施作方式。

表2 不同支护结构下监控量测结果

5.2 加固方案优化

5.2.1 数值计算结果

建立三维数值模型，模型尺寸为100×80×30 m，如图5所示。边界条件为:固定前后左右和下部界面，上部边界为自由面。偏压模拟方式采用简化的重力模式，即在模型上边界施加不同量值的重力场[6]。为简化试算步数，将隧道中线作为重力场分界线，采用Mohr-Coulomb本构模型，大应变变形模式，开挖循环进尺为1 m，按照台阶法施工步骤进行计算，所选取的围岩力学参数如表3所示。

图5 数值计算模型

表3 岩体物力力学参数

数值分析做如下假设:

(1)实际工程中隧道双洞净距为25 m，即2.5B，尚满足小净距隧道条件，模拟过程只建立单洞模型，将双洞开挖的扰动效应等效成围岩体力学参数的弱化程度[8]。

(2)为简化循环计算时间、提高结果准确率，采用位移控制的摩尔－库伦本构模型代替时效控制的应变－软化本构模型。

(3)计算模型尚未考虑地下水对施工过程的不利影响，该影响可简化为对应力和位移的不利影响，影响因子根据现有文献资料[7－9]查得分别为0.05和0.015。

(4)整个计算过程不考虑二衬作用，即围岩对支护的作用力均由初支和仰拱承担。

5.2.2 初支二次加固时效性优化

数值计算结果表明:初支施作完成后，浅层围岩在深部岩体作用下产生松散变形，导致初支随之变形，在初支变形至某一时刻时进行二次加固，会改变初支和围岩的受力状态，进而改变初支结构的位移轨迹。由图6可知，当初支不进行二次加固时，变形至378 mm时仍未出现收敛趋势；进行二次加固运算至1 000步时，结构变形有减弱效果，但运算到5 000步时，仍然呈现持续性变形趋势，且变形值较大，达到348 mm，相比无二次加固降低30 mm，仍尚处于预留变形量边缘。数值计算至2 000步时，相应结构变形有减弱效果且较前者更为明显；运算到5 000步时，累计变形达284 mm；随着二次加固的施作，改变了围岩受力状态，优化了应力分布形态，初支结构开始呈现收敛趋势，变化速率明显降低。数值运算3 000步时，收敛速率大幅降低且趋于稳定，在规定计算步内累计变形达273 mm，这表明支护结构的受力分配和岩体膨胀力、松散力相耦合，达到优化目标。在数值计算过程中运算4 000步时，即初支变形至288 mm时施作二次加固后，初支结构超过正常使用状态，临近极限状态，结构濒临破坏，表明二次加固施作不能有效支撑破坏区内围岩，且浅层破坏区岩体向深部发展，结构变形曲线斜率有增大趋势，二次加固作用微弱。

图6 周边收敛值随计算步变化曲线

6 结束语

(1)梅家沟软岩隧道现场监控量测数据表明，该隧道具有明显的偏压特性，且隧道整体以水平变形为主，竖向变形相对较弱。

(2)现场所尝试的初期支护结构对于抑制围岩变形所贡献的强度、刚度不足以确保支护结构处于正常稳定状态，表明了二次加固的必要性。

(3)数值模拟计算结果表明，二次加固的时机选择对于有效抑制围岩变形、改善岩体作用状态、优化结构受力分配、保障结构整体安全有效具有决定性作用；建议经过试验研究与理论验证确定施作时机，切不可盲目操作，以至于导致安全和质量事故的发生。